Краткие сведения из теории

1. Сочленения волноводов [5, раздел 13.4]. При контактном сочленении волноводов к их концам припаиваются фланцы I (рис. 2.1,а). Качество электрического контакта в месте прилегания фланцев будет зависеть от чисто-ты механической обработки и параллельности контактирующих плоскостей. Для уменьшения потерь на излучение через щели между фланцами в канавку 2 вводится прокладка из неопрена или резины, а фланцы волноводов стягиваются винтами, пропу­щенными через отверстия 3. Для уменьшения тепловых потерь за счет плохого качества контактов, особенно при многократных сборках вол­новодов, используются дроссельные сочленения, которые выполняются так, чтобы механический контакт находился в том месте 4, где ток равен нулю. С этой целью в разрыв между двумя линиями (рис.2.1,а) включается изогнутая короткозамкнутая на конце полуволновая линия 5 (кольцевая канавка глубиной l/4). При этом между линиями обеспечивается короткое замыкание. С тем, чтобы величина сопротивления механического трущегося контакта 4 в разъеме не имела значения, его относят от короткозамкнутого конца с пучностью тока на 1/4 длины волны (l/4), т.е. в то место, где ток равен нулю.

Этот же принцип положен в основу работы вращающихся сочленений двух прямоугольных волноводов (рис.2.1,б). В этих сочленениях применяются осесимметричные линии (коаксиальные или круглые волноводы) с азимутально симметричными волнами: Е₀₁, Н₀₁ (рис.2.2,а и 2.2,б) или волной Т в коаксиальной линии.

Ввиду того, что эти волны в круглом волноводе не основные, то совместно с волной, например, Е₀₁ может возбуждаться основная волна H₁₁ (pиc.2.2, в) с более низкой величиной w_кр . Структура поля этой волны азимутально не симметрична и потому ее поле надо ослабить с тем, чтобы не возникала амплитудная модуляция сигнала в выходном волноводе с частотой вращения сочленения.

Для фильтрации волны Н₁₁ соответствующим образом выбирают длину l (рис.2.1, б) и диаметр D круглого волновода так, чтобы на длине l укладывалось четное число четвертей длин волн в волноводе рабочей волны Е₀₁ и нечетное - волны Н₁₁. Кроме того, ставят фильтрующие резонансные кольца 6 (рис.2.1,б), в которых волна Н₁₁ возбуждает большие резонансные токи и этим резко уменьшает свою амплитуду. При этом на поле волны Е₀₁ кольца не оказывают никакого влияния, так как периметр колец перпендикулярен ее электрическому полю.

2. Направленные ответвители [2,раздел 17.6,17.7] и мосты представляют собой взаимные четырехплечные узлы. Если волна поступает в одно (любое) из плеч, а в остальных трех плечах включены согласованные нагрузки, то в идеальном случае мощность делится между двумя плечами, а третье оказывается развязанным от входного - волна в него не поступает.

Направленные ответвители предназначены для отвода из основного волновода части мощности волны, распространяющейся в одном направлении.

В волноводном варианте (рис.2.3,а) направленный ответвитель представляет собой сдвоенный волновод с общей узкой стенкой. Связь между волноводами 1-2 и 3-4 осуществляется через два круглых отвер­стия, расположенных на расстоянии l_в/4. Волна из волновода 1-2 воз­буждает поле в волноводе 3-4, сдвинутое по фазе на p/2. В волново­де 3-4 поля в направлении плеча 4 складываются синфазно, а в направ­лении плеча 3 - противофазно. Таким образом, в плече 4 будет часть энергии волны падающей, бегущей слева направо, а плечо 3 (плечо слепое - закороченное с поглощающей нагрузкой) относитель­но 1-го будет развязано. В плечо 3 может поступать часть энергии во­лны отраженной, бегущей справа налево. При этом в плечо 4 волна не поступает.

Переходным затуханием направленного ответвителя С называют выраженное в децибеллах отношение мощности, поступающей во входное плечо 1, к мощности, ответвляемой в плечо 4 направленной связи

С = 10 lg (P₁ / P₄) = a₁ - a₄, дБ. (2.1)

При работе с конечной полосой частот вразвязанное плечо от падающей волны поступает некоторая мощностьи количественно это явление характеризуется направленностью D, которая в децибеллах равна

D = 10 lg (P₄ / P₃) = a₄ - a₃, дБ,(2.2)

где P₄ - мощность в плече направленной связи 4, Р₃ - мощность в развязанном плече 3. У идеального направленного ответвителя направлен­ность равна бесконечности.

ЕслиK_Z l ¹ p/2, то такой направленный ответвитель имеет направ­ленность, величину которой можно оценитькак

(2.3)

.

Если число отверстий больше двух, например, n + 1, то направленность может быть увеличена вn раз. Расстояния между отверстиями берутся одинаковые, а диаметры отверстий берутся разными. В метровом и дециметровом диапазонах волн направленные ответвители выполняются на базе коаксиальных или полосковых линий [2, раздел 17.6].

В радиоэлектронной аппаратуре направленные ответвители используются для индикацииили измерения при известном значении переходного ослабления мощности падающей волны, поступающей целиком в нагрузку. Для измерения мощности отраженной волны плечи 3 и 4 должны поменяться местами. Когда необходимо измерить части обеих мощнос­тей, например, для оценки согласования (КСВ), включают два направленных ответвителя с одинаковыми значениями С навстречу друг другу (рис.2.3,б).

3. Аттенюаторы или ослабители [5, раздел 13.6] регулируют уровень мощности в линии передачи и необходимы в процессе настройки и измерения параметров различных элементов линии передачи, например, затуханий, вносимых элементами, развязки, ослабляющей связь между элементами и др.

Аттенюаторы бывают разных типов, например: 1) запредельные, ослабляющие сигнал по амплитуде за счет закритического режима в волноводе регулируемой длины (рис.2.4,а) и, следовательно, отражающие волну; 2) поглощающие аттенюаторы в волноводном варианте, представляющие собой отрезок волновода, в который вводится диэлектрическая пластинка 1 (рис.2.4,б), покрытая поглощающим слоем 2 (графитаили нихрома). Концы пластины скошены для уменьшения отражения от ее концов. Плоскость пластины располагается параллельно электрическому полю, которое наводит в поглощающем слое ток, вызывающий тепловые потери соответствующей волны. Регулировка потерь производится перемещением пластины вдоль широкой стенки волновода, т.е. в том направлении, в котором меняется на­пряженность электрического поля.

4. К числу волноводных разветвителей (тройников) относятся Н- и Е - тройники. Н-тройник (рис.2.5,а) представляет собой Т - образное разветвление волноводов в плоскости расположения магнитного поля волны Н₁₀, работающих в одноволновом режиме. Примерная структура поля без учета полей волн высших типов, возникающих вблизи разветвления, при подаче энергии в плечо 1 и согласованных нагрузках в плечах 2 и 3 показана на рис.2.5, б. При этом в плечах 2 и 3 в противоположные стороны бегут волны Н₁₀, у которых на одинаковых расстояниях от разветвления векторы поля Е (и Н) равны, но так, что поля Е синфазны, а поля Н - противофазны. При этом схемой замещения Н-тройника является параллельное соединение линий (рис.2.5,в). На одинаковых расстояниях от разветвления напряжения U₂ и U₃ равны и синфазны, а токи J₂ и J₃ равны, но противофазны.

Е-тройник (рис.2.6,а) представляет собой T-образное разветвление волноводов в плоскости расположения поля Е волны Н₁₀. Примерная структура поля при подаче энергии в плечо 4 и согласованных плечах 2 и 3 показана на рис.2.6,б. В плечах 2 и 3 на одинаковых расстояниях от разветвления векторы поля Е (и Н) равны, но поля Е противофазны, а поля Н синфазны. Схемой замещения Е-тройника является последовательное соединение линий (рис.2.6,в). На одинаковых расстояниях от разветвления напряжения в замещающих линиях 2 и 3 U₂ и U₃ равны и прот ивоположны по фазе, а токи J₂ и J₃ равны и синфазны.

5. Двойной Т-мост (или двойной волноводный тройник [2, раздел 17.7] представляет собой два совмещенных Н - и Е-тройника (рис.2.7,а). При подаче мощности на вход 1 она делится поровну между плечами 2 и 3, которые по полю Е возбуждаются в фазе (рис.2.5,б). На входе плеча 4 будет только продольное (для этого плеча) электрическое поле и, следовательно, в нем могут возбудиться только волны типа Е, которые будут находиться в закритическом режиме и, следовательно, в плечо 4 энергия поля не попадает и оно оказывается развязанным относительно плеча 1.

При подаче мощности на вход 4 она делится поровну между
плечами 2 и 3, которые по полю Е возбуждаются в противофазе. При этом относительно продольной плоскости симметрии плеча 1 поле Е будет противофазным (рис.2.6,б) и возбудиться там может только поле волны Н₂₀, которая будет в закритическом режиме и поэтому энергия в плечо 1 не передается. Плечи 1 и 4 снова оказываются развязанными.

Отсюда следует, что при подаче одинаковых синфазных сигналов на входы плеча 1 и 4 на входе плеча 2 (или 3) сигнал будет отсутствовать, а вся мощность поступит в плечо 3 (или 2). Из принципа взаимности следует, что при подаче мощности на вход 2 (или 3) она поделится между плечами 1 и 4 (с синфазным полем Е на одинаковых расстояниях от разветвления) и не попадет в плечо 3 (или 2).Плечи 2 и 3 оказываются развязанными.

Реальная развязка между плечами 1 и 4 составляет около 30-50 дБ при КСВ £ 1,2 при полосе пропускания частот порядка 10 %.

Указанные свойства соблюдаютсяпри полном согласовании плеч 1 и 4, для чего в конструкцию моста вводят согласующие устройства в виде индуктивной диафрагмы в плече 4 и емкостного штыря в плече 1 (рис. 2.7,а).

Некоторыми областями применения двойного Т-моста (и его модификации-модернизированного двойного Т-моста (рис.2.7,б)) являются: 1) проходные фазовращатели на базе полупроводниковых щелевых модулей; 2) схемы балансных смесителей СВЧ; 3) схемы сложения сигналов СВЧ на общей нагрузке (это применение позволяет реализовать частотное уплотнение трактов СВЧ, при котором один тракт используется одновременно для передачи нескольких сигналов разных частот) при выполнении условия согласования и развязки сигналов (но при неизбежной потере мощности в поглощающей нагрузке); 4) системы стабилизации частоты генераторов СВЧ; 5) схемы фазовых детекторов СВЧ; 6) делители СВЧ мощности на равные части без на­рушения согласования.